[发明专利]两性离子液体电解质材料及其制备与在锂电池电解液中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及化学材料合成和电化学储能技术领域，尤其是涉及一类含季铵阳离子、磺酸阴离子、有机硅功能团以及聚醚柔性分子链段的两性离子液体电解质材料的制备及其在锂电池电解液功能添加剂中的应用。

技术背景

锂离子电池具有开路电压高、比容量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、应用范围宽、无记忆效应、无污染等优点，作为新型绿色电池，目前已广泛地应用于消费电子产品中，并正积极地向国防工业、空间技术、电动汽车和静置式备用电源等领域发展。电解液是锂离子电池的重要组成部分，是在电池正、负极之间起传导作用的离子导体，是连接正、负极材料之间的桥梁，它本身的性能及其与正负极形成的界面状况很大程度上影响电池的性能。选择合适的电解液是获得高能量密度和功率密度、长循环寿命和安全性良好的锂离子电池的关键因素之一。目前商业电解液主要是由多种有机碳酸酯溶剂混合组成，但是这类电解液易燃、易挥发，导致了锂离子电池的安全事故频频发生；此外，有机碳酸酯类电解液还存在高低温性能、安全性、大容量和高倍率放电不足等缺点。当在锂离子电池有机电解液中添加少量的功能添加剂时，电池的电化学性能如电导率、循环效率和可逆容量等能够得到明显的改善。它们具有“用量小、见效快”的特点，操作简单，可直接加入到有机电解液中。在基本不增加电池成本的基础上，就能显著改善电池的性能。因此，设计开发高安全性和高性能的新型电解液添加剂是锂离子电池材料的研究热点。

离子液体电解质材料由于具有优良的安全性，其研究开发受到广泛的重视。离子液体具有许多优异的理化特性：（1）蒸气压极低；（2）耐热性高，液态温度范围宽（可达300℃）；（3）难燃性；（4）化学稳定性高，且对其它极性物质的溶解性能优良；（5）电化学窗口宽，分解电压高（可达到6V）；（6）物理化学性质可通过对阳离子的化学修饰或改变阴离子进行设计调节。离子液体的这些独特性能使得其作为电解质材料在电化学领域得到逐步而广泛的应用。两性离子液体是通过化学键将正、负离子连接在一起的离子液体，从而可以阻止正离子在电场影响下的迁移。Forsyth等人研究了咪唑阳离子、磺酸阴离子型两性离子液体添加于聚合物电解质中显著提高其锂离子迁移速率和传导率(Nat.Mater.3(2004)29;Electrochim.Acta 50(2005)3917)。Nguyen等人研究了功能化的哌啶（吡咯）阳离子、磺酸阴离子型两性离子液体作为商业锂离子电池电解液添加剂，该类添加剂的添加能显著提高电池的倍率性能（Electrochem.Commun.,9(2007)109）。通过分子结构设计，开发新型功能化的阳离子或阴离子型两性离子液体仍然有很大的研究空间。

发明内容:

本发明的目的是提供一类应用范围广的含季铵阳离子、磺酸阴离子、有机硅功能团以及聚醚柔性分子链段的两性离子液体电解质材料。

本发明并提供了上述两性离子液体电解质材料的制备方法及其锂电池中的应用。

本发明两性离子液体电解质材料的化学结构如式I所示：

其中两性离子液体的中心阳离子为季铵盐，中心阴离子为磺酸根，并且氮的烷基侧链有聚醚链和有机硅功能团。其中R₁,R₂选自相同或不同的C1-C3烷基；X为(CH₂)_nO[(CH₂)_mO]_a(CH₂)_b结构的聚醚链段，n,m为0-3的整数，a,b为1-3的整数；Y为C3-C4的亚甲基链；R₃,R₄和R₅选自相同或不同的C1-C3的烷基或烷氧基团，或为-O-SiR₆R₇R₈的结构单元，R₆,R₇和R₈为相同或不同的C1-C3的烷基。

本发明两性离子液体电解质材料，分子结构中含阴、阳离子的两性离子液体部分以提高锂离子的迁移率和传导率，聚醚链以提供与锂离子络合点，进行离子传输，有机硅功能团以提高电池的界面性能。

本发明两性离子液体电解质材料的制备方法，首先通过醇胺与有机硅化合物反应制备有机硅胺，本发明有机硅胺化合物为在先公开的中国专利申请201010607369.0中已经公开的化合物，其合成路线如反应式1所示：

反应式1